基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋” 的智能門鎖設(shè)計(jì)

席國棟，林路洋

（哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

當(dāng)前，智能家居在人們生活中的應(yīng)用不斷增多，成為很多現(xiàn)代家居設(shè)計(jì)的重要組成部分，大大地方便了人們的生活和學(xué)習(xí)，提升了家居品質(zhì)和效率。相對而言，傳統(tǒng)門鎖在安全和操作應(yīng)用上有一定的欠缺，而基于WiFi的無線智能門鎖已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于很多城市家庭，應(yīng)不斷推廣。這種門鎖借助指紋或者密碼開鎖，能夠有效記錄信息，還能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和操控，其交互性以及便利性較好，使用安全性也比較高［1］。

1 基于WiFi的智能門鎖設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

基于傳統(tǒng)門鎖應(yīng)用中的缺陷，本文設(shè)計(jì)一種以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的無線智能門鎖裝置，組成部分包括WiFi模塊(ESP8266模塊）、舵機(jī)、連桿結(jié)構(gòu)和外殼。WiFi模塊是用來接收手機(jī)發(fā)送的指令并把信號傳給裝置，WiFi模塊會采用ESP8266模塊，性能較好，成本也較低。連桿結(jié)構(gòu)是根據(jù)原裝門鎖的類型進(jìn)行選擇，用來驅(qū)動把手。該門鎖外殼是根據(jù)原裝門鎖的形狀而設(shè)計(jì)的3D打印外殼，用來固定裝置［2］。在該智能門鎖設(shè)計(jì)中，將STM32F103作為核心處理器，通過紅外掃描對門外人員來往情況進(jìn)行監(jiān)測，在無人到訪的情況下，系統(tǒng)會自動進(jìn)入節(jié)電模式。而在有用戶使用指紋或密碼開鎖的情況下，可以在進(jìn)行身份確認(rèn)后開鎖，并將錄像及時(shí)傳遞到主用戶的手機(jī)上，提醒有人員進(jìn)入。

2 智能門鎖硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 指紋錄入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指紋錄入系統(tǒng)主要由MCU、液晶屏、指紋模塊組成。系統(tǒng)的主要運(yùn)作方式是通過檢測到有按鍵按下時(shí)，MCU借助串口通信控制指紋模塊對指紋實(shí)施采集、錄入、存儲和比對，再按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果對相應(yīng)接口器件進(jìn)行操作。該指紋密碼鎖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是以人體手指表面皮膚凹凸不平產(chǎn)生的紋路為主要識別信息，將這些紋路(指紋）作為結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述。根據(jù)指紋密碼鎖的識別原理，系統(tǒng)通過對人體指紋的拍照，形成相應(yīng)的指紋特征，這樣就構(gòu)建了相應(yīng)的指紋模板，將這些信息錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，就能夠構(gòu)成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫識別對比信息［3］。該指紋密碼鎖的工作過程是指紋掃描、錄入圖像、生成特征、合成模板。

2.2 攝像頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次研究設(shè)計(jì)的WiFi智能門鎖應(yīng)用的攝像頭是0V7670型號傳感器，這一設(shè)備電壓低，體積小，借助總線控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。設(shè)計(jì)中結(jié)合主控芯片圖像處理速度，在開展電路設(shè)計(jì)中，對圖像進(jìn)行存儲。攝像頭一般安裝到芯片中，通過具體的格式輸出，在主控芯片接收到相關(guān)信息后，通過高速WiFi模塊，將信息傳遞給遠(yuǎn)程服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器在進(jìn)行相關(guān)信息處理后，再將每一幀圖像傳輸?shù)娇蛻舳酥校層脩艨梢噪S時(shí)通過移動智能終端接收和查看相關(guān)圖像信息。

2.3 觸摸鍵設(shè)計(jì)

該智能門鎖使用觸摸感應(yīng)按鍵芯片作為核心處理元件，電源的電壓一般為3～5 V，這有利于適當(dāng)縮小鍵盤間距，提升鍵盤的防水性能。一般而言，設(shè)置的觸摸按鍵數(shù)量可以有4～12個(gè)，借助電容數(shù)值對觸摸靈敏度進(jìn)行設(shè)置，在完成芯片轉(zhuǎn)換后，通過BCD碼形式輸出，通過有效安全識別，確立和智能門鎖及相關(guān)設(shè)備的有效連接。這樣用戶信息可以被及時(shí)傳遞到服務(wù)器中，系統(tǒng)操作應(yīng)用也更加方便。

2.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該門鎖控制系統(tǒng)使用單片機(jī)控制，通過將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片以及簡單的I/O設(shè)備連接在相應(yīng)的印刷電路板中，再將應(yīng)用程序下載到單片機(jī)中，這樣就形成一個(gè)小型的單片計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)是整體系統(tǒng)啟動工作運(yùn)行的最小模塊，必不可少。單片機(jī)擁有自己的最小系統(tǒng)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)算以及控制目標(biāo)，讓系統(tǒng)保持初始狀態(tài)下執(zhí)行的復(fù)位電路［4］。

2.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊是智能門鎖的人機(jī)交互關(guān)鍵模塊，這一部分的設(shè)計(jì)主要是通過液晶顯示器的電流控制液晶分子，使其按照相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行排序，并配合相應(yīng)的背光實(shí)現(xiàn)需要的內(nèi)容和畫面顯示功能。這一模塊設(shè)計(jì)要確保效果，降低功耗，還要提升使用的便利性。此次設(shè)計(jì)中使用FYD12864-0402B型號的液晶顯示器，這一顯示方案的優(yōu)勢在于其接口程序編寫更加簡單，價(jià)格也更加便宜。這一液晶顯示模塊通過串行和并行四位八位等多種通信方式，能夠滿足用戶的多樣化選擇需要，其內(nèi)部自帶文字庫和簡單圖形字符，能夠讓現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容更加豐富，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。

3 智能門鎖軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該WiFi智能門鎖的設(shè)計(jì)中，軟件程序通過C51編寫，在Keil環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)編譯和調(diào)試，構(gòu)建主程序流程圖。系統(tǒng)會隨時(shí)感知外部的溫濕度，并顯示在顯示屏上，用戶輸入密碼后在顯示屏上顯示，完成密碼輸入后系統(tǒng)會進(jìn)行密碼讀取，或者是對用戶給出的語音口令進(jìn)行讀取，和保存的數(shù)字密碼以及語言密碼信息進(jìn)行比對，確定密碼或口音密碼完全匹配，系統(tǒng)可以開鎖。而在系統(tǒng)出現(xiàn)密碼或語音有誤的情況下，則系統(tǒng)會進(jìn)入WiFi控制，可以有3次輸入機(jī)會，超過3次依然錯(cuò)誤，則系統(tǒng)會感觸警報(bào)，并發(fā)送信息到用戶手機(jī)，提醒用戶注意。

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合市面上目前應(yīng)用比較多的智能門鎖，發(fā)現(xiàn)門鎖的市場價(jià)格總體偏高，這是因?yàn)殚T鎖的制作材料以及技術(shù)成本高。對此，本文基于成本考慮，設(shè)計(jì)成本最低的智能門鎖方案，認(rèn)為可以選擇鋁合金材料作為門鎖的金屬外殼，借助相應(yīng)的單片機(jī)控制，構(gòu)建連桿結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)是根據(jù)原裝門鎖的類型來選擇，是用來驅(qū)動把手。外殼是根據(jù)原裝門鎖的形狀而設(shè)計(jì)的3D打印外殼，用來固定裝置。該智能門鎖設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化監(jiān)測和控制，這樣設(shè)計(jì)的門鎖智能化程度更高，也能夠確保成本合理，更符合廣大消費(fèi)者的需要。

5 結(jié)語

門禁的設(shè)置就是為了在安全的前提下使用更加方便，它是解決出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效措施，安全性至關(guān)重要，所以就要對它的可靠性進(jìn)行研究，才能更好地提高門禁的安全性。本文研究的智能門禁包含了WiFi模塊(ESP8266模塊）、舵機(jī)、連桿結(jié)構(gòu)和外殼。WiFi模塊是用來連接手機(jī)接收手機(jī)發(fā)送的指令并把信號傳給裝置，WiFi模塊會采用ESP8266模塊，性能較好，成本也比較低。本文設(shè)計(jì)的智能門鎖整體性價(jià)比更高，且設(shè)計(jì)中也考慮了相關(guān)操作便利性和安全性，值得應(yīng)用推廣。